基于激光超声技术的产品成型耦合控制方法_陈思.pdf

第 44 卷 第 4 期2023 年 4 月 激光杂志LASER JOURNALVol.44,No.4April,2023http /收稿日期:2022-08-13基金项目:国家社科基金(No.15BG084)、福州外语外贸学院感性工学研究(No.2018KYTD06)作者简介:陈思(1990-)女、硕士、讲师,主要研究方向:工业产品设计、包装工程等。E-mail:csettazju 基于激光超声技术的产品成型耦合控制方法陈 思1,柴春雷21福州外语外贸学院,福州 350202;2浙江大学,杭州 310058摘 要:将激光超声波脉冲应用在材料成型中,提高产品的成型稳定性,提出基于激光超声技术的产品成型耦合控制方法。根据脉冲激光激发的超声波热力学及光谱偏移特性,构建激光超声在材料试件上的二维热传导模型,根据产品成型弹性体内的瞬态位移场分布特性,建立激光热力学耦合控制模型。测试结果表明,设计系统的产品成型检测的覆盖面较大,材料缺陷定位误差平均为 3.61%,产品成型的裂缝条数最多为 12 条,平均成型精度为 99.42%。关键词:激光;超声技术;产品成型;超声换能器中图分类号:TN247 文献标识码:A doi:10.14016/ki.jgzz.2023.04.235Coupling control method of product molding based on laser ultrasonic technologyCHEN Si1,CHAI Chunlei21Fuzhou University of International Studies and Trade,Fuzhou 350202,China;2Zhejiang University,Hangzhou 310058,ChinaAbstract:The laser ultrasonic pulse is applied to material molding to improve the molding stability of products,and a coupling control method of product molding based on laser ultrasonic technology is proposed.According to the ultrasonic thermodynamic and spectral offset characteristics of pulsed laser excitation a two-dimensional heat conduc-tion model of laser ultrasonic wave on the material specimen is constructed,and a laser thermodynamic coupling control model is established according to the transient displacement field distribution characteristics in the molding elastomer of the product.The test results show that the coverage of product molding detection of the design system is large,the av-erage positioning error of material defects is 3.61%,the maximum number of cracks in product molding is 12,and the average molding accuracy is 99.42%.Key words:laser;ultrasonic technology;product molding;ultrasonic transducer1 引言随着现代工业的发展,激光脉冲技术和超声波技术,进行材料成型处理,并应用在产品的成型控制中。激光超声技术在树脂、陶瓷、金属、水泥或橡胶等为基体的复合材料加工和成型处理中具有广泛的应用价值,在产品成型过程设计中,受材料属性、独特制造工艺的应用,材料的力学特性对激光的吸收及热力耦合具有较大的关联,因此,利用激光脉冲超声技术,进行产品的成型,提高复合材料的加工成型精度和稳定性1。在进行强度和轻量化的复合材料设计中,根据材料成型构件的板材特性,根据激光脉冲的输出耦合性进行超声探测设计,将激光超声技术应用在大型建筑物、桥梁、飞行器的构件的产品成型中,能有效降低结构体的内部损伤2。在产品成型控制中,受到电磁干扰、酸碱腐蚀以及结构不稳定性方面的影响,导致材料成型的集成性不好。当前,材料成型方法主要涡流检测法、X 射线检测法、渗透检测法等3,文献4中提出面向航空复合材料结构的激光超声无损检测,通过分析超声波传播特征参数的变化,实现结构损伤和http /性能的评估,从而实现材料的成型。该方法对产品结构的表面完整性检测效果较好,但在应用中发现该方法受到激光超声脉冲的热力学波动影响较大,需要实时调整几何参数,对人工操作的依赖性较大,不利于广泛适用。文献5中提出一种基于激光超声的薄层金属材料厚度检测方法,并应用在材料的成型中。该方法对于材料检测的速度较快,但由于激光超声波中心频率高,对材料成型的动态影响较大,且对厚度的检测不能够全面地实现产品成型。文献6中提出基于激光超声和电磁超声的金属检测方法,通过分析表面波和纵波实现无损检测,对铝板材料检测性能较好,但对于其他性质的材料存在局限性,应用范围不广泛。针对上述问题,提出基于激光超声技术的产品成型耦合控制方法。通过激光器发射激光脉冲,根据在材料表面激发的瞬态脉冲超声波分布,在三维笛卡尔坐标系下,构建热传导模型,转换为二维热传导方程,考虑到材料弹性体内的瞬态位移场分布特性,构建激光超声检测的纳维叶-斯托克斯方程,分析热力学动态特征,实现热力学耦合控制。2 方法原理在激光脉冲激励过程中,通过产品材料的工件结构特性,结合超声波的瞬态脉冲响应特征分析,在温度梯度的耦合模型中进行激光超声波的应力结构特征分析,建立热弹机制下的激光超声回波探测模型,通过材料工件薄板与厚板内的超声波特性结构分析,结合激光光源的激励性能、材料力学特性以及激光光纤超声耦合特性7,建立脉冲激光的激发超声波原理图如图 1 所示。基于材料表面损伤性能分析,结合产品成型材料的热力学成型机制,在热弹机制下,分析激光检测模型的温度梯度参数。图 1 脉冲激光的激发超声波原理图3 软件设计通过激光器发射的脉冲激光超声波,在材料表面激发表面波,通过计算材料薄板与厚板内的超声波分布,分析出纵波的幅值,结合超声波的频散特性与衰减特性分析,根据激光与样件间的能量交换特性,建立三维笛卡尔坐标系下的热传导模型,根据激光能量在空间分布上具有对称性,实现材料热力学参数分析,根据参数解析结果实现产品材料成型过程的耦合控制8。其中激光超声波在材料表面上产生的热扩散现象如下如 2 所示。图 2 热扩散现象激光超声技术发射的激光照射在产品材料上产生热效应,在碳纤维树脂基复合材料上形成周期性递减的温度场,复合材料上的原子在温度场的影响下,产生定向的迁移运动,这种现场被称为热扩散现象9。微观物质原子沿着温度场中从温度梯度低向温度梯度高的方向进行扩散运动。如图 2 所示,在激光照射下,材料中间部分温度高,两边的温度低,材料的原子从温度低的位置向温度高的位置迁移,温度梯度的变化引起材料表面化学势能的变化,进而产生了一个驱动力10,进一步驱动材料原子产生扩散运动,从而形成了产品的表面形态,进而实现了产品成型控制。具体过程如下表述。根据脉冲激光激发的超声波物理耦合场,建立产品热弹性的热力学动态特征方程,在点光源、线光源和面光源的三种光源辐射下,分析发出的超声波在试件中的激光脉冲宽度11,并以此为数据基础进行试件成型处理,构建激光超声二维热传导模型,如图 3所示。图 3 激光超声波二维热传导示意图根据激光与样件间的能量交换特性,建立激光超声波三维笛卡尔坐标系12下的热传导模方程为t+xi(ui)=Sm(1)其中,为材料比热容(J/kgK),t 为激光的脉冲宽度(nm),xi为产品成型材料热传导系数(W/(mK),ui为热源能量密度(W/m3),Sm为激光照射的632陈思,等:基于激光超声技术的产品成型耦合控制方法http /时长。根据样件上表面激光作用区域的边界条件分布,得到外部热源作用在材料试件上的二维热传导方程为t(ui)+xj(uiuj)=-pxi+ijxj+gi+Fi(2)其中,ui为激光脉冲能量,uj为试件上表面的热分布,p 为功率谱,ij为激光超声脉冲发射的延迟,xj为材料表面对激光的吸收率,gi为激光的时间分布,Fi为激光的空间分布,ij满足:ij=uixj+ujxi()|-23uixiij(3)其中,ij表示激光照射初始位置,表示温度场分布。根据产品成型材料弹性体内的瞬态位移场分布特性,构建纳维叶-斯托克斯方程13,当满足边界条件:t=0,t(ui)=0(4)此时试件的位移与速度初始位移等效成脉冲激光激发出的超声波波场分布14,由此建立板材中激光激发超声波的动态波长转换模型,得到激光特性参数解析结果为t(k)+xi(kui)=xj+tk()kxj|+Gk+Gb-YM+Sk(5)t()+xi(ui)=xj+t()xj|+C1(Gk+C3Gb)-C22k+S(6)其中:t=Ck2(7)式中:湍流密度,kg/m3k 样件内部的瞬态热传导系数,取值为 1.89t 热源载荷向量,MPaGk 光纤基模式发射场的特征系数,取值为1.24Gb 介质密度(kg/m3)C 热力耦合参数 进口湍流黏性系数15YM 热传导系数(m/s)Sk 超声波的频率参数k 高频机械振动系数t 环境相对于初始温度的温度增量根据上述分析,建立产品热弹性的热力学动态特征方程,根据激励光源的光谱偏移特性,实现产品成型过程的热力学耦合控制。基于激光超声技术的产品成型耦合控制方法实现流程如图 4 所示。图 4 软件实现流程图4 实验测试分析根据上述基于激光超声技术的产品成型耦合控制系统设计,进行实验测试。4.1 激光超声检测平台搭建通过复合材料的粘弹性与各向异性特征分析,以碳纤维树脂基复合材料作为研究对象,搭建激光超声检测平台。应用的设备包括光学麦克风、示波器、计算机终端、二维移动台、光纤探头、532 nm 激光器、激光器电源等,结构图如图 5 所示。图 5 结构图根据图 5,激光器是系统整体中最重要的部分,为准确得到脉冲激光激发的位移场分布,进行光纤激光超声探测和换能器设计。这一部分主要由窄线宽连732陈思,等:基于激光超声技术的产品成型耦合控制方法http /续激光器、光隔离器、单个超声换能器构成,用于分析脉冲激光激发出材料表面波的特性。使用 LabVIEW图形化语言编程软件进行复合材料板材成型的激光超声检测平台的面向对象开发设计,根据激光超声检测原理,根据每一个激光激励点的超声波,采用中间件设计的方法,建立移动云控制平台,进行产品成型耦合控制过程中的激光超声扫描检测,通过对试件内某一深度的横截面进行扫描,确定材料成型的参数,从而将控制指令输入到移动控制终端,实现对产品材料的成型在线控制。构建的激光超声检测平台如图 6 所示,其中激光器的性能指标参数见表 1 所示。表 1 激光器的性能指标参数指标参数型号DSP-532-A波长532 nm脉冲宽度12 nm输出信号SWITCH 信号放电电流80 A图 6 激光超声检测平台根据图 6 所示的激光超声检测平台,输出复合材料板材成型过程中的位置、形状以及尺寸特征等。设定激光激励的功率参数为 100 mW 泵浦功率,激光腔总长度是 20 m,光栅对的波长间隔为 2 nm,透射谱的3 dB 带宽为 4 nm,各激光通道处的增益分布 8 dBm和 0.018 nm。4.2 实验结果分析在频率响应范围从 10 Hz 的次声到 1 MHz 范围的超声范围内,进行产品材料成型耦合控制,并对已有产品的缺陷进行检测。采用次声波检测,得到材料成型次生扫描结果如图 7 所示。图 7 材料成型次生扫描结果采用同样的产品,调整扫描带宽,以 1 mm 为移动步长,以 2 500 m/s 为超声横波在产品成型样件中的速度,采用激光超声技术,实现材料缺陷检测,得到材料成型超声扫描结果如图 8 所示。图 8 材料成型超声扫描结果根据图 7 和图 8,采用激光超声技术可以实现对产品更大范围的扫描,获得更为全面的产品缺陷检测结果。在上述缺陷检测的基础上,引入文献4方法、文献5方法和文献6方法作为对比方法,测试产品定型过程中材料缺陷定位误差,得到对比结果见表 2所示。表 2 误差对比测试次数本方法文献4方法 文献5方法 文献6方法10.035 2 0.193 0 0.061 6 0.125 020.037 6 0.192 2 0.063 5 0.085 130.035 6 0.189 5 0.073 2 0.114 140.036 2 0.188 6 0.072 3 0.102 150.035 6 0.190 5 0.065 3 0.137 6分析表 2 得知,本方法进行产品定型控制过程中缺陷定位的误差较低,平均为 3.61%。而文献4方法、文献5方法和文献6方法的平均误差分别为19.1%、6.72%和 10.97%,表明本方法的缺陷定位性能较好,可以为产品成型耦合控制提供数据支撑。为进一步检验本文方法的产品成型性能,以不同激光扫描速度下生成产品表面裂缝数量为指标,不同方法应用的对比结果如图 9 所示。分析图 9 可知,在三种激光扫描速度下,文献4方法、文献5方法和文献6方法的裂缝数量分别最多为 29 条、27 条和 26 条,而本方法产品成型的裂缝条数最少,最多为 12 条,远低于其他方法。表明本方法应用下,对产品缺陷定位的准确性较高,进而可以进一步调整产品的加工成型制造过程,从而得到的产品表面裂缝较少,产品更符合生产要求。832陈思,等:基于激光超声技术的产品成型耦合控制方法http /图 9 不同激光扫描速度下生成产品表面裂缝数量对比结果在上述实验的基础上,以生成产品的成型精度为指标,在产品表面随机选择 5 组点对,根据点对之间距离与产品设计图纸比对,结果如表 3 所示:表 3 成型精度对比/%测试次数本方法文献4方法 文献5方法 文献6方法199.6598.6498.5197.61299.198.8197.9398.39399.2498.9798.5597.52499.5398.7598.5298.18599.5898.6697.8697.34分析表 3 可知,本方法产品成型精度较高,平均为 99.42%,而文献4方法、文献5方法和文献6方法的平均成型精度分别为 98.77%、98.27%和97.81%,表明本方法控制下产品成型最为接近产品设计要求,具有较好的实用性。5 结束语提出基于激光超声技术的产品成型耦合控制方法,利用激光脉冲超声技术,进行产品成型耦合控制,提高复合材料的加工成型精度。以碳纤维树脂基复合材料作为研究对象,搭建复合材料板材成型的激光超声检测平台,通过分析材料表面波,得到产品材料热弹性的热力学动态特征,从而实现耦合控制。研究得出,本文方法进行材料成型的加工处理的缺陷扫描误差较小,平均为 3.61%,能有效实现对材料缺陷定位,在此基础上进行产品成型耦合控制,得到产品成型的 裂 缝 条 数 最 多 为 12 条,产 品 成 型 精 度 为99.42%。参考文献1 闫政.激光超声波探测中的智能感应设备的优化设计J.激光杂志,2016,37(12):34-38.2 谭项林,潘孟春,罗诗途,等.基于激光超声的材料力学性能测试方法研究J.激光与红外,2011,41(11):1183-1187.3 黄沛,陈博,李岩.基于相敏检波和位置探测器的位移检测系统J.激光技术,2017,41(2):235-239.4 裘进浩,张超,季宏丽,等.面向航空复合材料结构的激光超声无损检测技术J.航空制造技术,2020,63(19):14-23.5 刘永强,杨世锡,甘春标.一种基于激光超声的薄层金属材料厚度检测方法研究J.振动与冲击,2018,37(12):147-152.6 谷艳红,张振振,高先和,等.激光超声结合电磁超声在铝板无损检测中的应用研究J.中国激光,2020,47(5):413-419.7 冯辅周,张超省,宋爱斌,等.超声红外热像检测中疲劳裂纹的检出概率模型研究J.红外与激光工程,2016,45(3):304005-0304005(6).8 高锋,周虹,黄超.基于相控阵激光超声的裂纹衍射增强试验研究J.振动与冲击,2022,41(03):37-44+72.9 葛进,程小劲,尚建华.基于激光热弹效应的碳纤维增强树脂复合材料缺陷检测机理研究J.光电子激光,2022,33(01):83-90.10 邓进,姜文鑫,李海洋,等.表面裂纹深度检测的非接触光声检测技术研究J.激光与红外,2021,51(11):1403-1409.11 郭亨通,张登明,赵耀邦,等.5A06 铝合金超声辅助激光填丝焊接焊缝成形及组织性能研究J.中国科学(技术科学),2020,50(11):1521-1528.12 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